脉冲电弧对钨铜电极表面侵蚀的程度与脉冲电弧的电量或能量有关,对于钨铜材料来说,电极侵蚀的主要形式是电极材料的蒸发。脉冲电弧对钨铜材料的作用与单次脉冲电荷的转移量及总脉冲电荷转移量呈正相关性。在总电荷转移量一定的情况下,钨铜电极表面的侵蚀程度与单次电荷转移量直接相关,在单次电荷转移量为1·48 C、总电荷转移量为518C的脉冲电弧作用后,电极的侵蚀量较小,电极表面除了明显的金属铜蒸发斑点外,肉眼基本看不出裂纹;但在单次电荷转移量为10·5 C、总电荷转移量为525 C的脉冲电弧作用后,电极表面则出现鱼鳞状的龟裂。

单一的金属材料同时具有高熔点、高密度、高比热容和高导热率是非常困难的,利用钨的高密度、高熔点和铜的高电导率组成的钨铜合金作为开关电极材料,具有较高的抗蚀能力。

高钨钨铜材料有4种加工工艺:固相烧结-复压-复烧、液相烧结-复压-复烧、熔渗-机加工、预烧钨骨架-熔融浸渍-机加工,其中以第4种;预烧钨骨架-熔融浸渍”对材料的机械和力学性能最为有利,因为此工艺中,钨粒子不再是单独分散的粒子,而是经过高温烧结作用形成的骨架。显而易见,这种钨粒子的架构对于抗机械冲击是很有效的,这种材料抗裂纹的能力亦较强,因而对抗裂纹扩展也有利。

钨铜电极材料中可能存在结构弱点:①材料钨本身存在裂纹;②预烧钨骨架形成的钨骨架和熔浸冷凝时铜之间形成的孔隙等。在电弧高温、高热作用时,气体压力增加约10倍,对钨及铜产生压缩应力,从而对气孔附近区域业已存在的微裂纹产生撕裂力,促使微裂纹扩展。假设第n次脉冲电弧作用时这些孔隙或微裂纹并未与表面相通,那么熄弧时由于内存气体温度下降,压力变小,对基体将产生反向应力。随着电弧作用次数增加,基体所承受的正、反应力作用亦增强,裂纹便随之形成和扩展,直到扩展至外表或与外表裂纹相连。

燃弧过程中,钨粉再烧结作用亦是一种不可忽视的现象。当铜、钨所形成的毛细管中的铜在电弧作用下飞溅或蒸发后,表面的某些钨粒子便裸露于介质中,在电弧高温作用下,这些钨粒子会发生再烧结现象,表面效应使钨粒子球化或向表面转移,不可避免地会产生钨骨架间的裂纹,并逐渐深入至触头内部。对于触头遭受电弧后的材料侵蚀,一般认为,触头在电弧高温、高热及化学作用下,会产生材料挥发和化合等现象。裂纹在其中起着加速侵蚀的作用。对于钨铜触头,其中的铜随着电弧作用蒸发或飞溅,产生许多微孔,成为下一次裂纹发源地;钨粒子的再烧结,则加速了这种作用。此外,电极触头表面与灭弧介质在高温下形成的氧化物及某些可能存在的碳化物都具有脆性。由于机械冲击的作用,那些微小的孔洞群和表面脆性化合物被破碎,材料发生剥落,并为下一次剥落准备了新的创面和内部结构(表面裂纹)。于是,侵蚀不可避免地会发生,直到触头侵蚀过大不能继续工作而失效。

随着作用于开关电极触头表面次数的增加,由于铜的熔点较钨低,脉冲电弧作用下,熔融铜不断从触头表面钨粒子间的连通孔隙及裂纹缝隙处蒸发或飞溅。由于熔融-重凝过程的交替,一方面,裂纹中部或端部不断受到压缩-拉伸状态应力的交互影响,使主裂纹端部扩展,而在主裂纹中部则产生支裂纹因而裂纹不断扩展壮大,主裂纹所产生的支裂纹依同样规律扩展,两支支裂纹端部会合,从而在表面形成肉眼可见的鱼鳞状龟裂,表面形貌呈现水磨石状结构。另一方面,裂纹缝隙处的铜不断蒸发,相当于增加了触头表面遭受侵蚀的面积,脉冲电弧作用时裂纹最深处附近的铜的温度比相邻区域高,由于热膨胀作用,相邻区域对其附近区域产生压缩作用应力;电弧熄来时,相邻区域的冷却比其附近区域快,从而对其附近区域又产生拉伸作用,裂纹端部便沿纵深方向扩展。

结论

a)金属材料的抗侵蚀能力和其材料参数密切相关,在强脉冲电弧作用下,宜选用抗电蚀性能好的金属合金材料(如钨铜、铜铬)作为开关电极触头材料。
b)在脉冲电荷转移总量一定的情况下,电极触头的侵蚀量及电极表面裂纹的程度和单次通过开关电极表面的电脉冲电荷转移量成正比。
c)在脉冲电弧作用下,钨铜电极表面形成鱼鳞状的龟裂,钨铜材料中钨粉本身存在的裂纹及加工过程中存在的孔隙等结构弱点是造成裂纹的形成与扩展的主要原因之一。

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